Классификация геодезических приборов, в соответствии со стандартом на них, производится по назначению и по точности.
По назначению в настоящее время существует семь групп приборов:
- для измерения горизонтальных углов и углов наклона – теодолиты;
- для измерения превышений – нивелиры;
- для измерения расстояний – дальномеры;
- для производства планово-высотных топографических съемок – тахеометры;
- для производства планово-высотных топографических съемок (углона-чертательный способ) - кипрегели;
- комплектующие принадлежности (рейки, штативы, оптические центриры, механические центриры, буссоли, и др.);
- вспомогательные приборы и принадлежности (эккеры, планиметры, транспортиры, тахеографы, координатометры, масштабные линейки и др.).
По точности классифицируют только теодолиты, нивелиры и дальномеры. Они делятся на высокоточные, точные, повышенной точности, средней точности и технические.
Высокоточные приборы используют при измерениях в плановых геодезических сетях 1 и 2 классов и в нивелирных сетях I и II классов, а также при выполнении инженерно-геодезических работ высокой точности при решении специальных инженерных задач, например, при наблюдениях за деформациями сооружений и земной поверхности, при выверке установки прецезионного оборудования на промышленных предприятиях и уникальных объектах и т.п.
Точные приборы используются для сгущения главной геодезической основы (при построении сетей сгущения), а также для производства значительного объёма инженерных работ при строительстве инженерных сооружений.
Приборы повышенной точности используют как при геодезических работах по созданию сетей сгущения, так и при решении ряда научных, технических и научно-технических задач, связанных, в основном, со строительством и эксплуатацией инженерных сооружений.
Приборы средней точности применяют при производстве работ технической точности при создании для них сетей сгущения в виде теодолитных ходов, при горизонтальной съёмке ответственных точек местности и др.
Технические приборы применяются в основном для топографических съёмок различных масштабов при создании сетей съёмочного обоснования, выполнении отдельных и массовых привязок точек местности в принятой системе координат.
Любая из поставленных геодезических задач характеризуется, в первую очередь, необходимой точностью измерений и точностью получения конечного результата. Этим и определяется выбор для работы прибора соответствующего класса точности.
Надежность и достоверность получаемых при измерениях результатов обеспечивается правильной работой прибора. В связи с этим рабочие средства измерений подвергаются т.н. метрологическому надзору, который заключается в аттестации используемых средств измерений через систему испытаний и поверок. До выполнения работ каждый геодезический прибор должен быть поверен и отъюстирован.
Поверка – установление соответствия конструктивных геометрических соотношений в приборе, обеспечивающих качественную его работу.
Юстировка – устранение несоответствия геометрических соотношений в конструкции прибора, которые могут повлиять на его качественную работу. То есть юстировка выполняется только тогда, когда в результате поверки будут выявлены недопустимые отклонения в геометрическом положении узлов и деталей прибора.
Об основных поверках геодезических приборов будет рассказано ниже.
Что хотелось бы еще сказать о геодезических приборах. Можно, например, рассказать много интересного про кипрегель и мензулу, как исторически весьма важную, и в свое время – исключительную, геодезическую аппаратуру, с помощью которой выполнялась топографическая съёмка и составление плана непосредственно на местности. Но это ушло уже в прошлое. Не используется многое и из перечисленного выше вспомогательного оборудования. Где-то, возможно, и используется, но это не вызывает необходимости рассказывать о таком оборудовании и таких приборах, тем более – в учебнике. Пройдет совсем немного времени, по счёту на пальцах, и в учебнике по геодезии, написанном, например, через 5, максимум – через 10 лет, уже не будет пространных рассказов об оптических геодезических приборах, речь о которых пойдёт в этой главе. Будет только историческое упоминание, что были, мол, и оптические геодезические приборы, например, теодолиты, с помощью которых… Также как сейчас мы можем сказать о мензуле, с помощью которой раньше… Автор имел намерение исключить рассмострение оптических геодезических приборов, но оставил это только из-за учебных целей. Ведь в школе Вас учили, да и в институте тоже учат, решать системы уравнений, всякие биномы и полиномы. Нельзя этого пропустить. Так и здесь, чтобы понять сложное, надо понять и изучить простое. Почувствовать принцип измерений, расчётов, которые автоматически реализуются в современных геодезических приборах.
А пока, возможно в последнем в истории учебнике по геодезии, почитайте, что можно делать с помощью оптического теодолита и других оптических же приборов. Может быть потом, как это произошло с мензулой и кипрегелем, о таких приборах будет только напоминание.
Теодолиты
Интересным является словообразование – теодолит. Происходит оно из сочетания двух греческих слов: рассматриваю (theaomai) и длинный (dolichos). Может быть имелось в виду – смотрю в даль? Так это просто зрительная труба. Может быть и название это появилось только в то время, когда в мастерской Д.Сиссона установили на астролябию зрительную трубу.
Теодолит служит для измерения горизонтальных и вертикальных углов.
В обозначение отечественных теодолитов входит буква Т и число, указывающее среднюю квадратическую погрешность измерения горизонтального угла одним полным приёмом в лабораторных условиях.
В табл. 5.1 приведены данные о величине СКП измерения горизонтального угла в принятых стандартом классах точности приборов, а также марки отечественных теодолитов, относящихся к указанным классам точности.
Таблица 5.1
Классификация оптических теодолитов отечественного производства
| Класс точности прибора | СКП измерения горизонтального угла, сек | Основные марки теодолитов |
| Высокоточные | 0,5" – 1,0" | Т05, Т1 |
| Точные | 2,0" – 4,0" | Т2, 2Т2, 3Т2КП |
| Повышенной точности | 5,0" – 10,0" | Т5, Т5К, 2Т5КП, 2Т5А |
| Средней точности | 15,0" – 20,0" | Т15, Т15К, Т15М, Т15МКП |
| Технические | 30,0" – 60,0" | Т30, 2Т30П, Т30М |
Различные модификации теодолитов в приведённых классах точности отражаются в их обозначении дополнительными цифрами впереди основного обозначения и буквами – после основного обозначения. В настоящее время для теодолитов используют следующие буквы: А – теодолит снабжён автоколлимационным окуляром (т.е. им можно работать на отражение направленного к объекту оптической системой прибора светового пучка); К – конструкция с компенсатором угла наклона при вертикальном круге (компенсатор автоматически отрабатывает то или иное положение, чаще всего – визирной оси зрительной трубы); П – установлена зрительная труба прямого изображения (земная труба); М – теодолит в маркшейдерском исполнении. Например, Т5К, 2Т5К, 3Т2КП, Т30М, 3Т2КА и т.п.
Рассмотрим схему измерения горизонтальных углов и углов наклона, представленную на рис. 5.1.
Пусть на местности имеются точки А, В и С, расположенные друг относительно друга на разных высотах. Выберем вершиной измеряемых углов точку А. Построим в этой точке вертикальные плоскости WB и WC, в которых лежат направления из точки А соответственно на точки В и С. Выберем произвольно на вертикальной линии пересечения плоскостей W точку О и построим в ней плоскость V, перпендикулярную плоскостям WB и WC. В этой плоскости будут лежать направления ООл и ООп, а в плоскости, параллельной плоскости V, находятся проекции точек А, В и С (Ао, Во, Со).
Линии визирования ОВ и ОС образуют в пространстве угол β'. Проекция этого угла на плоскость V образует угол β, который называется горизонтальным углом.
Если в т. А поместить плоский круг (горизонтальный круг – ГК) с градусными делениями и расположить его плоскость в горизонтальной плоскости V, то на каждое из направлений (АоВо и АоСо) можно взять отсчёты b и с. Разность этих отсчётов и определит величину горизонтального угла
β = b - с. (5.1)
При оцифровке горизонтального круга по часовой стрелке, как это и исполняют в теодолитах, разность (5.1) дает значение угла β, показанного на
рисунке. Если же взять разность (c – b), то полученное значение горизонтального угла будет отличаться от угла β на 360о.
Рис. 5.1. Схема измерения горизонтального угла и угла наклона.
Вертикальный угол в общем случае – это угол в вертикальной плоскости между двумя направлениями. Если одно из направлений совпадает с горизонтальной плоскостью, то такой угол ν называется углом наклона.
Угол наклона обязательно указывают со знаком «плюс» или «минус» (кроме ν = 0о).
Если в точке А поместить вертикальный круг (ВК) с градусными делениями и совместить его плоскость, например, с вертикальной плоскостью WС , то направлению линии АC, параллельной горизонтальной плоскости V, будет соответствовать отсчёт co по вертикальному кругу, а направлению на точку С – отсчёт с. Аналогичные рассуждения можно провести и в отношении точки В. Если оцифровка вертикального круга в плоскости WС со стороны читателя выполнена по часовой стрелке, то значение угла наклона легко найдётся из разности
ν С = с - со; ν В = b - bo. (5.2)
Таким образом, как горизонтальный угол β, так и угол наклона ν, вычисляют как разность отсчётов, полученных по двум направлениям, взятых по оцифрованным кругам, плоскости которых параллельны соответственно горизонтальной и вертикальной плоскостям местности. Для угла наклона один из отсчётов всегда должен определять положение горизонтальной плоскости, которая в точке стояния проходит через центр вертикального круга.
Отсчёты со и bo называют местом нуля (МО) вертикального круга. Подробнее об этом будет сказано в § 42.
С учётом сказанного выше, теодолит должен обеспечивать выполнение определённых условий: он должен содержать в конструкции два оцифрованных круга, плоскости которых должны надежно устанавливаться специальными приспособлениями и приемами параллельно (ГК) и перпендикулярно (ВК) к плоскости горизонта.
На рис. 5.2 представлена схема теодолита с его основными осями, взаимосвязь которых определяет условия измерения углов.
Рис. 5.2. Схема теодолита.
Ось 1-1 называется вертикальной осью вращения теодолита. При измерениях она должна располагаться по направлению отвесной линии в точке стояния, т.е. перпендикулярно к горизонтальной плоскости. Для придания этой оси отвесного положения служит специальный установочный элемент (уровень – см. § 37), ось 4-4 которого должна быть перпендикулярна к оси 1-1. Плоскость горизонтального круга (ГК) должна быть перпендикулярна к оси 1-1, а также и параллельна с осью уровня 4-4. (Заводы-изготовители геодезических приборов гарантируют перпендикулярность оси вращения теодолита к плоскости горизонтального круга). Ось 2-2 называется осью вращения зрительной трубы (о зрительной трубе см. § 36). Оси 2-2 и 1-1 должны быть взаимно перпендикулярны, кроме того, ось 2-2 должна быть перпендикулярна и к плоскости вертикального круга.
Визирная ось 3-3 зрительной трубы может поворачиваться в вертикальной плоскости относительно оси 2-2. Оси 2-2 и 3-3 должны быть перпендикулярны.
Здесь несколько навязчиво и не совсем интересно перечислены главные геометрические условия построения теодолита. Постоянное упоминание слов «перпендикулярно» и «параллельно» может запутать, а то и запугать, но, поверьте, эти условия являются весьма важными для назначения данного прибора. Вот в результате поверок и устанавливают соблюдение данных геометрических условий. Впрочем, без этого никак нельзя обойтись, и в современных электронных геодезических приборах того же назначения обязательно предусмотрено выполнение тех же геометрических условий.
Зрительные трубы
Зрительная труба служит для наблюдения удалённых объектов. При этом она даёт возможность чётко видеть сам объект и прицельную точку прибора.
Существуют зрительные трубы с обратным изображением (астрономические) и прямым изображением (земные).
Вот какие характеристики были даны М.В.Ломоносовым указанным зрительным трубам в его переводе «Волфианской экспериментальной физики»:
«Зрительные трубы, которых переднее стекло выпуклисто, а заднее вогнуто, представляют вещи близко, в прямом положении. Астрономическая зрительная труба, состоящая из двух выпуклистых стекол, вещи увеличивает и ближе представляет, однако наизворот».
Вообще М.В.Ломоносов создал много различных зрительных труб, но не для геодезических приборов, а для телескопов. Даже есть его ночезрительные трубы, с помощью которых получались качественные изображения звёздного неба. Он много занимался и изготовлением линз для зрительных труб (телескопов). Большинство его труб – зеркальные, поскольку вполне обоснованно большее предпочтение М.В.Ломоносов отдавал именно зеркалам для построения телескопических систем. В частности, в том же переводе «Экспериментальной физики» он пишет:
«Те же зеркала (выпуклые – С.Ч.) представляют в себе вещи криво, и чем представленная вещь от такого зеркала дале отстоит, тем меньше кажется. Для того утешно смотреть, ежели выпуклистое зеркало перед брюхом поставишь: для того что в сем положении кажется, что брюхо наперед выпятилось, а голова по пропорции много меньше и назад отклонилась».
Основными конструктивными элементами зрительных труб являются (рис. 5.3) объектив 1, в который входит фокусирующая линза 2, имеющая возможность поступательного перемещения вдоль оптической оси трубы, сетка нитей 3, окуляр 4. В земных трубах перед сеткой нитей устанавливают призменную оборачивающую систему.
Оптическая ось зрительной трубы определяется положением центра объектива 1 и центром окуляра 4. Визирная ось зрительной трубы проходит через центр объектива 1 и центр сетки нитей 3. Геометрическая ось – это линия, на которой находятся центры всех оптических элементов.
Сетка нитей 3 представляет собой тонкий стеклянный диск с нанесёнными на него горизонтальной и вертикальной нитями. Часто половину вертикального штриха выполняют в виде биссектора (двойной линии). Сетки нитей имеют дополнительные короткие штрихи, т.н. дальномерные нити, служащие совместно с рейкой с сантиметровыми делениями для измерения расстояний (нитяный дальномер). На рисунке приведены виды сеток нитей некоторых теодолитов.
Впервые предложил использовать сетку нитей в зрительной трубе в 1611 г. Иоганн Кеплер (Германия), но только в 1670 г. французским астрономом Пикаром выполнялись работы по градусным измерениям с применением сетки нитей вместо диоптров. Дальномерные нити в зрительных трубах стали использоваться только с 1810 г. по предложению немецкого оптика-механика Рейхенбаха.
Рис. 5.3. Зрительная труба теодолита Т30. Виды сеток нитей.
Объектив 1 с помощью фокусирующей линзы 2 строит изображение в плоскости сетки нитей 3. Окуляр 4 может поступательно перемещаться вдоль оптической оси, что позволяет наблюдателю получить чёткое изображение совмещённых предмета и сетки нитей с учётом остроты его зрения.
Элементы 1, 2, 3, конструктивно расположены в герметичном корпусе, что обеспечивает защиту оптических и механических деталей зрительной трубы от попадания пыли и влаги.
Важнейшими характеристиками зрительных труб являются её увеличение, поле зрения, разрешающая способность и светопропускание.
Увеличение ГХ зрительной трубы определяется величинами фокусных расстояний объектива и окуляра:
ГХ = fоб / fок (5.3)
Зрительные трубы технических приборов и приборов средней точности имеют увеличение 20Х – 25Х. С повышением точности приборов увеличение их зрительных труб соответственно возрастает и достигает 60Х.
Поле зрения зрительных труб определяется угловым расхождением лучей от предметной плоскости, видимых на диаметрально противоположных концах сетки нитей. В современных геодезических приборах поле зрения труб находится в пределах от 0,5о (высокоточные приборы) до 2о (технические приборы).
Разрешающей способностью зрительных труб определяется качество изображения предмета, в данном случае – способность трубы передавать без искажений необходимые детали предмета. На это влияют качество изготовления оптических деталей, установка деталей в корпусе трубы и т.п. У современных зрительных труб разрешение в центре поля зрения составляет 2" – 6", на краях поля зрения оно меньше (т.е. больше 6"). При работе с геодезическими приборами необходимо стремиться к тому, чтобы наблюдаемая точка находилась ближе к центру сетки нитей.
Светопропускание определяет видимую яркость изображения предмета при наблюдениях объектов различной освещённости. Для увеличения светопропускания на оптические детали наносят специальные тонкие многослойные покрытия.
При наблюдении в зрительную трубу после фокусирования предмета в плоскости сетки нитей может возникнуть т.н. параллакс нитей. Параллакс нитей обнаруживается при небольших перемещениях глаза наблюдателя относительно окуляра. Если изображение предмета не совпадает с плоскостью сетки нитей, то возникает ощущение разноудалённости нитей и изображения предмета. В таком случае необходимо дополнительно выполнить фокусировку изображения до исключения параллакса.
